基于模糊控制的温室移动机器人控制算法研究

基于模糊控制的温室移动机器人控制算法研究

开发温室移动机器人,改善劳动条件,提高农单个温室的使用面积很小，一般农业机械无法满足使用要求。因此，有必要进一步探索温室的生产潜力，提高经济效益，改善工作条件，降低工资。由于农业生产环境与工业相比有其特殊性,农业机器人在生产过程中不但应具有定位、导航功能,还应能准确识别农作物的有无及其形状,以便实现定点均匀作业。目前,国内对农业机器人的研究较少,因此,本文对温室农业生产机器人的导航和避障控制进行研究。1温室移动机器人运动控制移动式机器人具有自主运动功能,即避障和导航功能。温室移动机器人活动场所内的障碍物主要是一些作物、温室骨架、管道和附属道路障碍等。温室移动机器人运动的目的主要是为了完成一定的工作任务,移动是完成生产任务的基础。因此,温室移动机器人应具备三大主要功能,即导航→避障→工作。温室移动式机器人的运动是通过前轮导向、后轮驱动来实现的。其运动的控制如果采用经典控制理论,则需要建立精确的数学模型。由于运动过程中的障碍物具有复杂性,其数学模型难以建立,采用模糊控制技术可以不必建立精确的数学模型,所以在该机器人的控制方式上采用模糊控制技术。2设计模糊装置的设计2.1控制系统的控制常规的模糊控制器是以某一变量的变化和变化率作为输入量而构成的二维模糊控制器。在该控制系统中,将传感器(3组红外线测距传感器)所检测到的障碍物距离变化量和方位角变化量作为输入量,通过模糊化、模糊推理、反模糊化得到一个角度变化量作为输出量,再转变成角速度和控制时间来实现对前轮方向控制电机的控制,以实现对移动机器人前进方向的控制。2.2机器人的运动能力为了实现机器人运动控制的自动性,需要对移动机器人的运动方向进行确定,根据检测到的障碍物信息自动找出其运动方向。图1为某温室移动机器人向目标G运动的示意图。在该图中,假设机器人的运动只有前进,其前进速度为定值。由物理学可知,在任意两个物体之间将产生吸引力,现假设目标G对机器人产生吸引力为Fa,该力很小,对机器人的运动具有引导作用。ωg为机器人前轮转向的角速度,θg为偏离目标的角度,θ为导向角,D为机器人宽度。当¯ΡG＞DPG¯¯¯¯¯＞D时,其角速度为ωg=CgΡGD180θg(1)ωg=CgPGD180θg(1)式中Cg——控制转弯的系数,其选择参照图2,为了简化计算,可以取为1当¯ΡG≤DPG¯¯¯¯¯≤D时,其角速度为ωg=Cg180θg(2)ωg=Cg180θg(2)2.3模糊控制量的计算移动机器人应根据导航策略确定运动方向,并在前进过程中将获取的障碍物信息加以处理,以实现避障。这里的移动机器人避障采用模糊控制技术。在模糊控制器设计中,重要的是控制算法的设计,合理的算法有利于模糊控制器的计算,并提高计算速度。在该模糊控制器的算法设计中,以机器人与障碍物的距离ED和前进方向与障碍物之间的角度Eθ(即方位角)作为输入量,Uθ(即θg的变化量)作为输出量,采用IF-THEN的形式,如:IFED=SANDEθ=NSTHENUθ=PS归纳总结其控制算法规则为35条,见表1。表中:VS、S、M、L、VL、NL、NS、NZ、Z、PZ、PS、PL含义分别为很小、小、中等、长、很长、负大、负小、负零、零、正零、正小、正大。对温室移动机器人的运动控制是模仿人对小车的驾驶控制行为,将距离变化范围和方位变化范围细分为9个点,它们各自对各模糊子状态的赋值(即隶属度)见表2～4。在模糊控制器的设计中,模糊关系为R=35∨i=1[(EDi×Eθi)Τ˚Uθi](3)式中i——规则序号再由检测到的距离变化量ΔED和角度变化量ΔEθ得出角度控制量为U′θ=(ΔED×ΔEθ)T。R(4)由式(4)得出的控制量U′θ是模糊量,还需要进行反模糊化。反模糊化的方法很多,在这里,采用最大隶属度法。将模糊量进行精确化,所得到的精确量即导向角变化量dθ,通过式(1)或(2)求出角速度ωg就可以求出控制作用时间dt,这样就可以直接控制电机,实现对导向轮的转角控制,进而实现对移动机器人的导向控制。3模糊控制器硬件设计该移动机器人为一模型,运动速度很小,为了验证该模糊控制器的算法,将单片处理机作为控制核心,设计出一种模糊控制器,其模糊控制系统硬件结构如图3所示。3.1处理控制芯片的选择由于机器人模型的运动速度较小,只考虑了两个输入量,所以其运算速度要求不是很高,选用8031单片处理机作为该系统的处理控制芯片,即可满足该系统模糊控制的需要。3.2eprom参数由于8031单片机无程序存储器,须外接EPROM,在这里选用2764。在程序存储器扩展中,必须将8031的EA接地,使CPU只执行片外程序存储器中的程序。3.3相检测原理采用红外线测距传感器对输入变量进行检测,该传感器利用移相原理制成,实现对前方障碍物的距离和方位的检测。由于检测到的信号很小,需要对其进行放大,采用OP07运放组成低漂移、高精度前置放大器,再由741组成后级放大器。3.4a/d转换为数字量红外线测距传感器所检测到的距离和方位信号是模拟信号,须进行A/D转换变为数字量。A/D转换采用ADC0809,因为它允许8路模拟量分时输入,共用一个A/D转换器进行转换,转换的数字信号供模糊控制器处理。3.5驱动电路的设计模糊控制器根据输入信息输出相应的控制策略,由于该控制量的能量有限,不能直接用于驱动转向控制电机,因此要采用驱动电路,其中驱动电路采用74LS244。为了消除单片机处理电路和功率输出电路之间的影响,提高抗干扰能力,采用光电耦合器TIL117,将两个电路隔离开来。4模糊控制器的避障效果将所研制的模糊控制器安装在移动式机器人模型上进行运动实验,实验结果如图4、5所示(图中虚线为轨迹曲线)。实验表明:机器人模型可以自主地运动,能够避开障碍物,该模糊控制器中的算法和结构基本能够